自清潔的原理

自清潔，指的是一類特殊材料的固有性質，可以通過不同的方式自發的清除其表面附著的雜質和細菌。

這一現象最初來自於人們對大自然的觀察，「出淤泥而不染」的荷葉，就是典型的天然自清潔表面。

此外，大自然當中還有很多其他的動植物的部分表面都具有天然的自清潔能力，例如水稻葉片，豬籠草，蟬的翅膀，蝴蝶翅膀，壁虎的腳，蝸牛的殼，魚鱗和鯊魚皮等等。

從機理的角度講，絕大多數天然自清潔表面都具有特殊的浸潤性，即超親水和超疏水，超親水和超疏水自清潔表面都是利用了材料表面的特殊浸潤性，通過水和物體表面的相互作用實現自清潔功能。

浸潤性，也叫潤濕性，指得是一種液體在一種固體表面鋪展的能力或趨勢。例如，把一滴水滴在固體表面，可能出現如下兩種不同的情況：水滴傾向於鋪展成一層薄薄的水抹，這表明水在這種固體表面浸潤，這種固體表面具有親水性；或者水滴傾向於聚攏成球形小液滴，這表明水在這種固體表面不浸潤，這種固體表面具有疏水性。

這裡又引出了一個新的概念，水滴或者液滴在固體表面鋪展之後的切線和固體表面之間的夾角，被稱為接觸角，是定量描述浸潤性的參數。原則上，接觸角大於90度，就是疏水表面，小於90度就是親水表面。更進一步的，人們定義，當接觸角接近或大於150度時，固體表面具有超疏水性，而當接觸角趨近於0度時，固體表面具有超親水性。舉兩個典型的例子，水在雲母表面的接觸角小於4度，而水在荷葉表面的接觸角約為147度。

那麼超親水和超疏水表面如何實現自清潔功能的呢？

水在超親水表面上會自發鋪展成面積很大而厚度很薄的水膜，阻礙了油脂和灰塵微粒等污染物與表面的直接接觸；而完全鋪展的水膜又會很快蒸發，帶走其表面附著的雜質，實現自清潔功能。自然界中，蝸牛殼就屬於這種情況。工業上，超親水表面目前多以防霧自清潔塗層或薄膜的形式應用在一些比較特殊的環境中，例如汽車後視鏡，齒科或體內專用的窺鏡，以及一些比較高級眼鏡片等等。

水在超疏水會自發形成聚攏的水滴，當水滴在傾斜表面上滾動時，會自髮帶走表面附著的一些灰塵顆粒，實現自清潔功能。自然界中，除了之前提到的荷葉之外，一些蝴蝶的翅膀也具有類似功能。工業界中，則主要應用於大型建築的玻璃外牆等難以清潔的表面等。目前的學術界，通過對材料表面納米結構的修飾實現對材料浸潤性的控制，是一個研究的熱點，有興趣的同學可以自行調研一下這方面的文獻。

另一方面，學術界第一篇關於自清潔表面的論文發表於1995年 ("Photo oxidative self-cleaning transparent titanium dioxide films on glass". Journal of Materials Research. 10 (11): 2842–2848, 1995)。在這篇文章當中，提到了不同於以上兩種清潔原理的第三種清潔方法，即二氧化鈦(TiO2)光催化自清潔技術。

TiO2是一種很神奇的材料，一方面，在沒有光照的情況下，其表面具有疏水性，但在紫外光的照射下，會轉變為超親水性；另一方面，TiO2會在紫外光的誘導下，通過化學反應，把光能轉化為化學能，分解表面附著的水和其他有機污染物，這些物質被分解後以氣體形式離開物質表面，殘留的固體微粒又會隨著水膜鋪展而被帶走，從而實現自清潔表面的效果。

更為神奇的是，TiO2不但可以分解表面附著的雜質，還可以轉化空氣當中的污染氣體，例如氧化氮氧化物和氣體有機物等，在自清潔表面的基礎上，實現改善空氣質量的效果。生活中，這種技術已經得到了一定程度的應用，例如日本某些公共場所的吸煙室，通過光催化效應清除空氣中殘留的有機廢氣，效果顯著。位於羅馬的Jubilee教堂也利用了這種技術，使教堂的雪白外牆歷久如新。

顯然，在特定的環境下使用自清潔表面技術可以起到事半功倍的效果。好了，講了三種自清潔表面的原理和應用，大家還能想到生活中有趣的自清潔的案例嗎？

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